工学电感式传感器课件.pptx

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1、v3.1 3.1 自感式传感器v3.2 3.2 互感式传感器v3.3 3.3 电涡流式传感器v3.4 3.4 压磁式传感器v3.5 3.5 感应同步器 电感式传感器具有工作可靠,寿命长;灵敏度高,分辨率高;精度高、线性好的优点。其主要缺点是存在零点残余电压、灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。广泛应用于测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等物理量。第1页/共83页3.1 3.1 自感式传感器先看一个实验：将一只220V220V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V36V交流电压源上，如下页图所示。开始毫安表的示值约为几十毫安。

2、用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。第2页/共83页自感式传感器的工作原理演示F36V交流毫安表交流毫安表交流电压源交流电压源交流接触器线圈交流接触器线圈第3页/共83页 气隙变小，电感变大，电流变小F F自感式传感器的工作原理演示第4页/共83页闭磁路自感式传感器 磁通量大部分在导磁体中流动，少部分在空气隙中流动。如图所示为闭磁路自感式传感器的示意图，根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:由磁路欧姆定律：则有：l线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l图3.1 闭磁路自感式传感器其中IW为磁动势,此

3、为产生磁通的激励；Rm为磁阻，即对磁路具有阻碍作用的物理量。1.1.工作原理第5页/共83页 因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 与电阻公式比较！与电阻公式比较！式中：l1铁心导磁体的长度；l2衔铁导磁体的长度；1铁心的磁导率；2衔铁的磁导率；S1 铁芯材料的截面积；S2 衔铁材料的截面积；l0空气隙的长度；0 空气的磁导率；S 0 空气隙的截面积。第6页/共83页通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,则于是:因此，为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径磁路。第7页/共83页 上式表明,当线圈

4、匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变l0或S0均可导致电感变化,因此自感式传感器又可分为变气隙型(变l0)和变面积型(变S0)。使用最广泛是变气隙型电感传感器。1 1、变气隙型自感式传感器 图3.1所示为变气隙型的结构示意图。设初始气隙长度为l0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为l0，则由电感量表达式可知L与l0为非线性关系，特性曲线如右图所示。附图 变气隙型自感式传感器L与l0关系第8页/共83页设l为气隙变化(减少)量，为L电感值变化量，则：（1 1）灵敏度当l/l01，将上式按泰勒级数展开，可得变气隙型自感式传感器的灵敏度为通常灵敏度可近似地表示为 第9页

5、/共83页（2 2）非线性误差若用上式近似求取灵敏度，由于忽略了原式中的高次非线性项产生了非线性误差。其大小为 由以上两式可知，若要提高灵敏度，气隙初始距离l0应尽量小，但l0减小使被测量的范围变小，同时灵敏度的非线性误差也将增加。如采用增大气隙有效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。第10页/共83页 变气隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变气隙型电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。附图 差动变气隙型电感

6、传感器第11页/共83页变气隙式电感传感器位移行程很小，一般=0.10.2 差动式：=2mm，=0.20.4mm 较大行程位移测量，常用的螺管式电感传感器如果采用差动变隙型电感传感器，则灵敏度提高一倍，线性度提高一个数量级。第12页/共83页图3.2 3.2 变截面型自感传感器线圈铁芯衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向l03 3、变截面型自感式传感器 变截面型传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。变截面型自感式传感器其转换关系是线性的，即同时，其灵敏度为常数第13页/共83页4 4、闭磁路差动式自感传感器图3.3 差动式自感传感器图3.3 差动式自

7、感传感器如果采用差动变隙型电感传感器，则灵敏度提高一倍，线性度提高一个数量级。如果采用差动截面型电感传感器，则灵敏度提高一倍。第14页/共83页开磁路式自感传感器1 1、螺管式自感传感器 螺管式自感传感器利用载流螺线管原理制成，所不同的是在载流螺线管内有与外作用固连在一起的圆柱形运动铁心。图3.4为螺管型单极式自感传感器的结构原理图。主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形的运动铁心。传感器工作时，运动铁心在线圈中伸入长度的变化，将使线圈磁路中的磁阻变化，从而引起螺管线圈电感值发生变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁心的位移量有关。第15页/共83页载流螺线管在轴线上任一点P（P点位移为x）

8、处产生的磁场，根据图3.5和毕奥沙伐尔拉普拉斯定律(简称毕沙拉定律)可得式中，l螺管长；W线圈总匝数；I线圈电流强度；P P点至两端点连线与轴线的夹角；r螺管内径。载流螺线管原理第16页/共83页 假设 ,则可认为B值沿径向均匀分布，且沿轴向B随x变化，这样，当P点位于轴线上不同位置时，其B值也不同，为计算方便，取其平均值，即当线圈空心时，其电感值为当，上式可近似为第17页/共83页当半径为rc，磁导率为m的铁心插入螺管线圈时，插入部分的磁阻下降，磁感应强度B值增大，从而使电感值增加。根据以上求法可以求得当运动铁心插入线圈内长度为lc时，电感值为此时，螺管内电感总量为当 ,，上式可近似为 当传

9、感器的结构和材料确定以后，式中只有lc为变量，即L=f(lc)，所以当铁心随外作用产生不同lc时，由上式就有相应的电感值L。因此，线圈空心时，其电感值为第18页/共83页 由此可见，螺管式自感传感器其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。螺管式自感传感器结构简单，装配容易，自由行程大，示值范围宽。目前，该类传感器随放大器性能提高而得以广泛应用。由螺管型单极式自感传感器的工作原理可知，由于线圈电流的存在，运动铁心受到单向电磁力的作用，而且线圈电感量易受电源电压和频率及温度变化等因素的影响，测量精度较低。因此，为了改善灵敏度及线性度，提高测量精度

10、，常采用差动技术以改善其性能，由两个单一结构的对称组合就构成了螺管型差动式自感传感器。第19页/共83页2.2.螺线管差动式自感传感器图3.5 螺管型差动式自感传感器由于组合的两个螺线管是对称的，设初始时铁心位于中央位置，因此铁心两边的初始电感是相等的，为当铁心由中间位置向右移动l lc c后，将使右边电感增加而左边电感减少，即它们的电感值分别为 第20页/共83页图3.5 螺管型差动式自感传感器可以推导，每边的灵敏度：因此，要使初始电感L10和L20 增大，必使lc和rc增大，但从灵敏度来看，lc的增大又使灵敏度降低，两者是矛盾的，综合考虑通常取lc=l/2。第21页/共83页 比较：比较：

11、气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。第22页/共83页转换电路 自感式传感器实现了把被测物理量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路将电感变化转换成电压（或电流）的变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感量变化转换成电压（或电流）的幅值、频率、相位的

12、变化，分别称为调幅、调频、调相电路。在自感式传感器转换电路中，调幅电路用得较多。第23页/共83页图3.6 3.6 交流电桥的一般形式及等效电路1.1.调幅电路调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3.6（a）所示为交流电桥的一般形式，桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元件，当负载端空载时，输出电压为开路电压，表示为当负载端接有负载ZL时，图3.6（a）所示的电路可等效成图3.6（b）所示的戴维南等效电路，此时桥路的负载输出电压为 第24页/共83页图3.7 交流电桥的两种实用形式在实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配用，传感器的两个电感线圈作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，或者

13、是变压器的两个二次侧线圈。在图3.7（a）中，R1、R2为平衡电阻，Z1、Z2为工作臂，即差动式自感传感器衔铁在中间位置时单个线圈的阻抗:Z1=r1+jL1；Z2=r2+jL2其中r1、r2为衔铁在中间位置时单个线圈的串联损耗电阻，L1、L2为衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量，为电源角频率。第25页/共83页图3.7 交流电桥的两种实用形式通常，取R1=R2=R0，当电桥处于初始平衡状态时，Z1=Z2=Z0=r+jL，输出工作时传感器的衔铁由初始平衡零点产生位移，若Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z；代入式（3.19）得 传感器线圈的阻抗变化主要由线圈感抗变化*L引起，即 第26页/共83页传

14、感器衔铁移动方向相反时：空载输出电压为：对于高品质因数Q（Q=L/r）的差动式自感传感器，忽略其损耗电阻，则空载输出电压第27页/共83页附图 a a）非相敏检波 1 1理想特性曲线 2 2实际特性曲线 因此，衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于 是交流电压,输出指示则只能判别位移的大小，无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。第28页/共83页 输出电压送到指示仪前，经过一个能输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电判别相位的检波电路路，则不但可以反映位移的大小，还可以反映位移的方则不但可以反映位移的大小，还可以反映位移的方向（相位）向（相位）相敏检波电

15、路相敏检波电路。附图 相敏检波1 1理想特性曲线2 2实际特性曲线 附图 带相敏检波的测量电路第29页/共83页1.输入输入交流电压为正半周交流电压为正半周，A点电位为正，点电位为正，B点电位为负点电位为负V1、V4导通，导通，V2、V3截止。截止。A-E-C-B中，中，C点电位由于点电位由于Z1，C点电位点电位；A-F-D-B中，中，D点电位由于点电位由于Z2，D点电位点电位D点电位高于点电位高于C点电位，点电位，直流电压表直流电压表正向偏转。正向偏转。2.输入输入交流电压为负半周交流电压为负半周，A点电位为负，点电位为负，B点电位为正点电位为正V2、V3导通，导通，V1、V4截止截止A-F

16、-C-B中，中，C点电位由于点电位由于Z2，C点电位点电位 A-E-D-B中，中，D点电位由于点电位由于Z1，D点电位点电位仍然是仍然是D点电位高于点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+ZZ1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-ZZ2=Z-Z。第30页/共83页图3.8 3.8 调频电路2.2.调频电路 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率f发生变化。一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入

17、一个振荡回路中,当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量值。第31页/共83页图3.9 3.9 调相电路3.3.调相电路 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压相位的变化。一般是把传感器电感L和一个固定电阻R接入一个变压器电桥,设计时使电感线圈具有高品质因数，忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降 与 互相垂直。当L变化时，输出电压 的幅值不变，相位角随之变化，根据的大小即可测出被测量值。第32页/共83页零点残余电压 所谓零点残余电压，就是当输入为零时，输出不为零，有残余电压输出。它表现为电桥预平衡时，无法实现平衡，总存在着某个输出值U0。由于U0的存在，造成

18、测量系统存在不灵敏区l0，这一方面降低了测量精度，削弱了分辨能力，易使放大器饱和，同时也影响U0与l之间转换的线性度。图3.10 U0l特性第33页/共83页 造成零点残余电压的主要原因是：1）差动式自感传感器的两个传感器不完全对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称及磁路参数不对称；2）线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间存在分布电容；3）供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡；4）供电电源很好，但由于传感器具有铁损即磁芯磁化曲线本身存在非线性；5）工频干扰。减小零点残余电压的方法要有针对性。如对1）在设计及加工时要求高，则必然增加成本；2）及5）可加屏蔽保护。3）对供电电源有一定

19、质量要求，最好不用工频。4）除选择磁路材料要正确之外，不要为片面追求灵敏度而过高地提高供电电压。此外，还可以在线路上采取措施。第34页/共83页自感式传感器的应用 自感式传感器是被广泛采用的一种电磁机械式传感器，它除可直接用于测量直线位移、角位移的静态和动态量外，还可以它为基础，用于测量力、压力、转矩等。图3.11为测气体压力的自感式传感器。它是用改变气隙长度的自感式传感器为基础组成的传感器，其中感受气体压力的元件为膜盒，传感器测量压力的范围将由膜盒的刚度来决定。图3.11 测气体压力的电感传感器 第35页/共83页 图3.12是用于测量压力差的差动式电感传感器。其中1、6为外壳，2、7为两个

20、差动式自感传感器的铁心，3、8为绕组线圈，5为活动衔铁，4、9为两导气孔道。工作原理：当P0=P 1时，活动衔铁两边压力相等，衔铁处于对称位置零位，此时两边电感的起始间隙相等，因此两个线圈的阻抗相等，即Z1=Z2=Z0；当P0P1时，活动衔铁产生位移，两边电感的间隙不相等，两个线圈的阻抗也不相等，Z1 Z2。通过交流电桥输出电压的大小就反映了被测压力差的大小。图3.12 压差传感器 第36页/共83页附图附图 BYM型压力传感器型压力传感器第37页/共83页自感式液位传感器自感式液位传感器浮子的位移变成电量：液位升高，液体对浮子的浮力F，破坏平衡状态。浮子上升，铁心上移，电感变化，输出信号改变

21、。第38页/共83页3.2 3.2 互感式传感器 互感式传感器也分为闭磁路和开磁路两种，且大多采用差动形式。其中闭磁路有变隙式和变面积式互感传感器，开磁路有螺线管式互感传感器,其工作原理基本相同。应用最多的是螺线管式互感传感器,它可以测量1100mm范围内的机械位移。互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。该传感器工作原理很象变压器的工作原理，次级绕组采用差动形式连接,故又称变压器式传感器。结构形式：第39页/共83页螺线管式互感传感器 当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量M变化时，感应电动势也相应变化。图3.13 3.13 螺管型互感

22、式传感器结构图第40页/共83页两个次级绕组反向串联，在忽略铁损、导磁体磁阻和绕组分布电容的理想条件下，螺管型互感式传感器等效电路如右图所示。衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置衔铁上移衔铁下移根据互感知识，输出电压：即随着衔铁位移x的变化，互感式传感器的输出电压也将发生变化。第41页/共83页2 2、基本特性根据电磁感应定律，次级绕组中感应电动势的表达式分别为 当次级开路时在两个次级绕组反向串联和次级开路的条件下输出电压的有效值 第42页/共83页 在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向，需要进行相敏检波。图3

23、.15 3.15 螺线管式互感传感器的输出特性a)a)理想特性 b)b)零点残余电压 c)c)相敏检波后特性第43页/共83页零点残余电压：互感传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。产生原因：（1 1）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2 2）铁芯的B-HB-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。第44页/共83页1 CPC-A1 CPC-A型差压计型差压计差压转变为位移。差压转变为位移。75557555与外阻容元件组成组成振荡电路，输出方波作为差与外阻容元件组成组成振荡电路，

24、输出方波作为差动变压器一次绕组的激励电源，幅值动变压器一次绕组的激励电源，幅值10V10V。VD1VD1、VD2VD2组组成电压输出型检波电路。成电压输出型检波电路。RP1RP1为零点调整，为零点调整，RP2RP2为满度为满度调整。调整。互感式传感器的应用第45页/共83页附图 电感测微仪及其电路框图a）轴向式测头 b）测量电路框图1-引线 2-线圈 3-衔铁 4-测力弹簧 5-导杆 6-密封罩 7-测头2.2.电感测微仪 电感式传感器接成桥式电路，并用振荡电路供电。电桥输出的不平衡电压将与衔铁位移成正比。电桥输出的信号比较小，需经交流放大器放大到一定程度才能推动相敏检波器工作。第46页/共8

25、3页 右图为微压力变送器的结构示意图。由膜盒将压力变换成位移，再由差动变压器转换成输出电压。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。3 3、电感式微压力变送器附图 微压力变送器结构示意图1接头 2膜盒 3底座 4线路板 5差动变压器 6衔铁 7罩壳 8插头 9通孔第47页/共83页附图 微压力变送器结构及测量电路差动变压器弹性敏感元件差动变压器弹性敏感元件(膜膜片、膜盒和弹簧管片、膜盒和弹簧管)压力传压力传感器感器被测压力为零：膜盒在初始位被测压力为零：膜盒在初始位置状态置状态固接在膜盒中心的衔固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中间铁位于差动变压器线圈的中间位置位置输出电压为零。输出电压为

26、零。被测压力由接头被测压力由接头1传入膜盒传入膜盒2：自由端产生一正比于被测压：自由端产生一正比于被测压力的位移力的位移带动衔铁带动衔铁6在差动在差动变压器线圈变压器线圈5中移动中移动差动变差动变压器输出电压。压器输出电压。经相敏检波、滤波后，其输出经相敏检波、滤波后，其输出电压反映被测压力的数值。输电压反映被测压力的数值。输出电压比较大，线路中不需用出电压比较大，线路中不需用放大器。放大器。第48页/共83页测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而将衔铁的A A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x(t)振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。用于测定振动物体的频率和振

27、幅时其激磁频率必须是振动频率的1010倍以上，这样可以得到精确的测量结果。4.互感式加速度传感器悬臂梁互感式传感器第49页/共83页根据根据法拉第电磁感应原理法拉第电磁感应原理，成块的金属置于变化的磁场，成块的金属置于变化的磁场中，或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内就中，或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内就要产生要产生呈涡旋状呈涡旋状的感应电流，感应电流的流线在金属导的感应电流，感应电流的流线在金属导体内是体内是闭合的，所以称为电涡流闭合的，所以称为电涡流，这种现象称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感效应。根据电涡流效应制成的传感器称为

28、电涡流式传感器。器。金属导体中电涡流渗透的深度与传感器线圈的激励电流金属导体中电涡流渗透的深度与传感器线圈的激励电流频率有关，因此，按照电涡流在导体内的贯穿情况，可频率有关，因此，按照电涡流在导体内的贯穿情况，可分为分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两类电涡流传感器，其中两类电涡流传感器，其中高频反射式应用较为广泛，但两者基本工作原理仍是相高频反射式应用较为广泛，但两者基本工作原理仍是相似的。似的。3.3 3.3 电涡流式传感器第50页/共83页v电涡流传感器结构很简单，由传感器线圈和被测金属导体两部分组。传感器线圈由一个固定在框架上的扁平线圈组成，线圈可以粘贴在框架的端部，也可

29、以绕在框架端部的槽内。第51页/共83页 高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。线圈通入交变电流线圈通入交变电流I I1 1，在线圈的周围产生交变的磁场，在线圈的周围产生交变的磁场H H1 1位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流I I2 2涡流涡流I I2 2也产生相应的磁场也产生相应的磁场H H2 2，H H2 2与与H H1 1方向相反方向相反H H2 2的作用的作用引起线圈等效阻抗、等效电感和品质因素

30、等发生相应引起线圈等效阻抗、等效电感和品质因素等发生相应的变化。的变化。图3.17 3.17 电涡流传感器原理图工作原理第52页/共83页其中，传感器线圈受电涡流效应时等效阻抗其中，传感器线圈受电涡流效应时等效阻抗Z的函数关系的函数关系式为式为Z=F(,r,f,x)，线圈等效阻抗的变化反映了金属导，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。体的涡流效应。如果保持上式中其它参数不变，只改变其中一个参数，如果保持上式中其它参数不变，只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的转换电路测出阻抗传感器配用的转换电路

31、测出阻抗Z的变化量，即可实现对的变化量，即可实现对该参数的测量，从而构成测量该参数的传感器。常用的该参数的测量，从而构成测量该参数的传感器。常用的电涡流测距传感器，电涡流测距传感器，即是在即是在，r，I，f恒定不变时，恒定不变时，阻抗仅是距离阻抗仅是距离x的单值函数。的单值函数。第53页/共83页 为了分析方便，将电涡流式传感器模型简化为如图为了分析方便，将电涡流式传感器模型简化为如图3.183.18所所示。其中示。其中1 1为传感器线圈，为传感器线圈，2 2为短路线圈，为短路线圈，3 3为被测金属导体。为被测金属导体。模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路线模型中把在被测金属导体

32、上形成的电涡流等效成一个短路线圈中的电流，即假设电涡流仅分布在圈中的电流，即假设电涡流仅分布在短路线圈短路线圈之内，这样传之内，这样传感器线圈与被测金属导体便可等效为相互耦合的两个线圈。感器线圈与被测金属导体便可等效为相互耦合的两个线圈。简化模型及等效电路h2x1ras3rira(r)图3.18 3.18 电涡流式传感器简化模型第54页/共83页 根据简化模型，根据简化模型，传感器线圈与短路线圈之间的关系可用如传感器线圈与短路线圈之间的关系可用如图图3.19所示的电路来表示。所示的电路来表示。R1、L1为传感器线圈的电阻和电感；为传感器线圈的电阻和电感；短路线圈电阻为短路线圈电阻为R2、电感为

33、、电感为L2；由于传感器线圈与金属导体之间存在磁性联系，故它们由于传感器线圈与金属导体之间存在磁性联系，故它们间存在互感间存在互感M，互感随线圈与金属导体间距离的减小而，互感随线圈与金属导体间距离的减小而增大。增大。1 1传感器线圈；2 2电涡流短路环图3.19 3.19 电涡流式传感器等效电路第55页/共83页根据等效电路可列出电路方程组：解方程组，可得线圈复阻抗：线圈的等效电感：等效电阻RR：涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加。因此，电涡流传感器的工作原理，实际上是由于受到交变磁场作用的导体产生的电涡流起到调整线圈原来阻抗作用的结果。为同时研究阻抗实、虚两部分，常用品质因数Q来表示

34、。第56页/共83页由电涡流式传感器的工作原理可知，被测量变化可以由电涡流式传感器的工作原理可知，被测量变化可以转换成传感器线圈的参数如品质因数转换成传感器线圈的参数如品质因数Q、等效阻抗、等效阻抗Z和和等效电感等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些参数转换的变化。转换电路的任务是把这些参数转换为电压或电流输出，相应地有三种转换电路：为电压或电流输出，相应地有三种转换电路：Q值转换值转换电路，阻抗转换电路，电感转换电路。电路，阻抗转换电路，电感转换电路。总的来说，总的来说，Q值转换电路使用较少，这里不作讨论。阻值转换电路使用较少，这里不作讨论。阻抗转换电路一般用交流电桥法，它属于调幅电路，关

35、抗转换电路一般用交流电桥法，它属于调幅电路，关于调幅电路参见自感式传感器转换电路部分。电感转于调幅电路参见自感式传感器转换电路部分。电感转换电路一般用换电路一般用谐振电路谐振电路。转换电路第57页/共83页并联谐振电路的阻抗:附图 并联谐振电路ZCL将传感器线圈的电感与固定电容组成并联谐振电路。在没将传感器线圈的电感与固定电容组成并联谐振电路。在没有金属导体有金属导体的情况下，并联谐振电路的谐振频率等于激励的情况下，并联谐振电路的谐振频率等于激励振荡器的振荡频率；当电感振荡器的振荡频率；当电感L发生变化时，回路的等效阻发生变化时，回路的等效阻抗和频率都将随抗和频率都将随L的变化而变化，可以利用

36、测量回路阻抗的变化而变化，可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。值。v因此，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路分为调幅和调频两种。并联谐振电路的谐振频率:第58页/共83页（1 1）谐振调幅电路）谐振调幅电路 该电路的由频率稳定的振荡器（如石英振荡器）该电路的由频率稳定的振荡器（如石英振荡器）提供稳压稳频的高频激励电压，如图提供稳压稳频的高频激励电压，如图3.233.23所示。所示。图3.21 3.21 谐振调幅电路uC石 英 振 荡 器RL并联谐振电路的输出电压:第59页/共83页l在没有金属导体的情

37、况下，LC谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的振荡频率（如1MHz），这时LC回路阻抗最大，输出电压的幅值u0也是最大。l当被测金属导体接近传感器线圈时，线圈的等效电感发生变化，LC回路的谐振频率和等效阻抗也跟着发生变化，致使回路失谐而偏离激励频率，谐振峰将向左或向右移动，输出电压的幅值也会发生变化，如图3.24所示。附图 谐振调幅电路的谐振曲线 第60页/共83页（2 2）谐振调频电路）谐振调频电路 传感器线圈接在振荡器中作为电感使用，传感器线圈接在振荡器中作为电感使用，L与与C构成构成谐振回路，谐振回路，R1是偏置电阻，是偏置电阻，C1完成正反馈。当传感器线完成正反馈。当传感器线圈与金属导体

38、距离改变时，电感发生变化，从而改变了振圈与金属导体距离改变时，电感发生变化，从而改变了振荡器的频率。该频率信号由电阻荡器的频率。该频率信号由电阻R2上输出，可以用上输出，可以用频率计频率计直接读出直接读出。图3.22 3.22 调频法电路原理图第61页/共83页电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到1）干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈第62页/共83页电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。第63页/共83页大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器第64页/共83页v转速测量

39、v计数v测厚度v探伤v测振动v测温v测位移电涡流传感器的应用第65页/共83页a a）测位移）测位移 测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙市场上自动封口机，利用电涡流原理。待封口位置含铝，检测到封口位置时，电涡流效应产生热量，实现封口。间隙越大，电涡流越小。第66页/共83页位移测量仪位移测量仪位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、偏心、间隙、位置、倾斜、位置、倾斜、弯曲、变形、弯曲、变形、移动、圆度、移动、圆度、冲击、偏心率、冲击、偏心率、冲程、宽度等冲程、宽度等等。来自不同等。来自不同应用领域的许应用领域的许多量都可归结多量都可归结为位移或间隙为位移或间隙变化。变化。数显位移测量仪及探头

40、第67页/共83页b b）安检门演示）安检门演示当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。第68页/共83页c c）测振动 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅及频率第69页/共83页d d）测转速）测转速 若转轴上开若转轴上开z z个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f f（单位为（单位

41、为HzHz），则转轴的转速），则转轴的转速n n（单位为（单位为r/minr/min）的计算公式为）的计算公式为 第70页/共83页e e）探伤探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤第71页/共83页用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹第72页/共83页工作原理工作原理 某些铁磁物质在外界机械力的作用下，在其内部产生机械应变，从而产生应力，导致磁导率发生改变的现象称为压磁效应。3.4 3.4 压磁式传感器压磁式传感器 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等优点。很适合在重工业、化学工业等部门应用。成功地用在冶金、矿

42、山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、电梯安全保护等。第73页/共83页工作方式工作方式 图3.23 压磁式传感器结构形式之一 图3.23所示为其原理结构图。图（a）、（b）为测量压力P的传感器，有如下关系：而图（d）、（e）的结构与互感式传感器器相似，有如下关系，1 1单向压磁效应单向压磁效应 第74页/共83页 2双向压磁效应双向压磁效应 在外力作用下，导磁体多数表现在外力作用下，导磁体多数表现各向异性特性。利用此特性可以各向异性特性。利用此特性可以制成传感器。图制成传感器。图3.24（a）所示即）所示即为典型的一例为典型的一例,它是用硅钢片叠成它是用硅

43、钢片叠成的，经粘接或点焊成一体，如图的，经粘接或点焊成一体，如图所示在对称位置上开四个通孔，所示在对称位置上开四个通孔，沿对角线的方向各绕两个绕组：沿对角线的方向各绕两个绕组：W1为一次绕组，用交流电供电；为一次绕组，用交流电供电；W2为二次绕组作为敏感绕组。这为二次绕组作为敏感绕组。这两个绕组在空间相互垂直。两个绕组在空间相互垂直。图3.24 压磁式传感器结构形式之二 第75页/共83页3维捷曼效应维捷曼效应 所谓维捷曼效应是指在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按螺旋形分布的区域。在这个区域中磁导率沿螺旋方向增加。即是说，如果将这个铁磁棒置于磁场中，则在棒中必有按螺旋形分布的磁通，此磁通

44、可认为是两个磁通的合成，一个沿轴向分布，另一个沿旋转方向分。图3.25 利用“维捷曼”效应进行测量的原理图 图3.25（a）是用来测量转矩M的。图3.25（b）所示是将激励电压u加在轴上,而在轴上又绕有绕组，在此绕组的端头接有指示仪表。图3.25（c）是用来测量气体压力的。第76页/共83页3.5 3.5 感应同步器感应同步器 工作原理 感应同步器是60年代末发展起来的一种自动高精度位移(线位移、角位移)传感器。由于它具有测量精度高，受环境影响小，使用寿命长，维护简单，可拼接成各种测量长度并能保持单元精度，抗干扰性强，工艺性好，成本低等优点，因此广泛应用于大型机床和中型机床上，作为数字位移提供

45、给显示或控制装置。感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或角位移的一种传感器，它具有两个平面形的矩形绕组，相当于变压器的初级和次级绕组，通过两个绕组的互感变化来测量其相对位移。测量直线位移和角位移分别称为直线感应同步器和圆感应同步器。第77页/共83页（a）（b）图图3.26 定尺和滑尺印刷电路截面结构定尺和滑尺印刷电路截面结构 感应同步器根据两个平面形绕组的互感随位置而变化的原理制造的。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，而圆感应同步器由定子和转子两部分组成。在定尺和滑尺、转子和定子上制有印刷电路绕组。直线感应同步器定尺和滑尺截面结构如图3.26所示，（a）为滑尺截面结构图，其中1为铝

46、箔，2为绝缘粘结剂，3为铜箔，4为绝缘层，5为基板;（b）为定尺截面结构图 第78页/共83页输出信号的测量输出信号的测量 1 1鉴幅型系统鉴幅型系统 所谓鉴幅型是根据感应电动势的幅值变化来测量机械位移量的一种工作方式。(1)(1)调幅信号的形成 其励磁电压为:由于感应同步器磁系统可视为线性系统，根据叠加原理，定尺上的总感应电动势为 第79页/共83页(2)(2)细分原理 检测检测位移时，利用控制励磁电压的电相角位移时，利用控制励磁电压的电相角d来跟踪来跟踪位移角位移角x。由式（。由式（3-71）可知，当）可知，当x=d时，时，e=0，系统，系统处于平衡状态，滑尺移动一个距离后，处于平衡状态，

47、滑尺移动一个距离后，xd，e0，感，感应电动势应电动势e的大小反映了的大小反映了d与与x的差值，称为误差电压。的差值，称为误差电压。控制系统根据这个误差电压的大小来完成下面两项任务：控制系统根据这个误差电压的大小来完成下面两项任务：第一，产生一个等于第一，产生一个等于x的的d去校正励磁电压的幅值，去校正励磁电压的幅值，使使d重新等于重新等于x，让定尺感应电动势；第二，记下，让定尺感应电动势；第二，记下d的的改变值，从而便知位移量改变值，从而便知位移量x的大小的大小。第80页/共83页2 2鉴相型系统鉴相型系统 鉴相型是根据感应电动势的相位来测量机械位移量的一种鉴相型是根据感应电动势的相位来测量

48、机械位移量的一种工作方式。工作时在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、振工作方式。工作时在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、振幅相等、但相位相差幅相等、但相位相差90900 0的正弦电压作为励磁源。励磁电压各为的正弦电压作为励磁源。励磁电压各为 由前述可知，这时定尺上的感应电动势相应为 第81页/共83页根据叠加原理，定尺上总的感应电动势为根据叠加原理，定尺上总的感应电动势为 式中x=2x/T为定、滑尺间的相对位移角。从上式可以看出，感应电动势e的大小与x有关，而且感应电动势的相位角x恰好是定、滑尺间的相对位移角,所以当x变化时，感应电动势e即随着变化。这就是鉴相型系统的理论依据。第82页/共83页感谢您的观看。第83页/共83页